MEMS器件级高真空封装技术.pdf

电子工艺技术Electronics Process Technology282023年5月第44卷第3期摘要：在多数微机电系统（MEMS）器件级封装工艺中，需要采用高气密真空环境进行封装。在设备端实现该工艺至今依然是一项具有挑战性的技术难题，存在多项需要突破的关键技术，如真空转运、真空视觉对位、真空封盖和焊接等。因此提出一种适配工艺步骤的全自动高真空封装系统解决方案，并对其主要功能、工作原理、存在问题及解决方案进行详细论述。关键词：真空；封装；视觉对位；芯片中图分类号：TN405文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）03-0028-04Abstract:High vacuum environment is required for packaging in most MEMS device level packaging processes.It is still a challenging technical problem to realize this process on the equipment side,there are many key technologies that need to be broken through,such as vacuum transfer,vacuum visual alignment,vacuum capping and soldering.Therefore,a solution of automatic high vacuum packaging system suitable for process is proposed,and its main functions,working principle,existing problems and solutions are discussed in detail.Keywords:vaccum;packaging;visual alignment;chipDocument Code:A Article ID:1001-3474(2023)03-0028-04MEMS器件级高真空封装技术High Vacuum Packaging Technology for MEMS Device Level杨晓东，王成君YANG Xiaodong,WANG Chengjun（中国电子科技集团公司第二研究所，太原 030024）(The 2nd Research Institute of CETC,Taiyuan 030024,China)0 引言在器件级封装技术中，真空封装越来越体现出其重要性，大部分MEMS器件都含有微型的可动部件，这类MEMS器件需要采用高气密真空环境进行封装。有研究表明，MEMS器件的可动元件在真空环境下运行时，其品质因数和运行性能可得到极大的提高。例如大气条件下MEMS谐振器的品质因素约为2040，而其在10-5 Pa真空条件下的品质因数可高达5 0001-3。传统的真空封装设备先在外部把管壳和盖板对位后放好，然后放入真空腔内进行封焊，焊接后器件内部真空度与真空腔内真空度差别很大，本文所述设备是在真空状态下完成对位、封焊，因此器件内部真空度即真空腔内真空度，封焊后形成的腔体内部真空度可以达到10-5 Pa量级。全自动真空封装设备可用于MEMS和智能混合式电路的芯片级真空封装，其主要特点是集预处理、吸气剂释放、视觉定位、点焊、平焊、测试、交换整个工艺流程为一体，在结构上将5个独立真空腔串联组合，真空环境覆盖整个工艺流程。本文所论述的内容集中在对位焊接工艺腔，该工艺腔是设备的技术核心，集成了芯片传输、视觉对位、芯片焊接3个主要的功能模块。作者简介：杨晓东（1 9 8 2-），男，高级工程师，主要从事真空晶圆封装设备的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.008第44卷第3期291 工作原理在高真空环境下，利用电阻焊的原理将盖板和管壳平行封焊在一起，利用视觉识别技术确保上下对准精度0.1 mm，管壳、盖板的外形如图1所示。图1 待封装产品图2 管壳、盖板在托盘上的摆放示意图图3 托盘转运动作示意图为实现批量化，工艺过程为：待处理元器件包括多个管壳和盖板，管壳和盖板平行放置在特制的托盘上，摆放方法如图2所示。工艺执行过程中，每次可将托盘放入设备，经过真空烘烤、真空搬运、吸气剂激活、视觉对准、自动拾取、自动封盖后，盖板准确放在管壳上并焊接形成密闭的高真空环境空间，从而实现芯片的真空封装。2 存在问题及解决方案大气环境下的平行封焊技术在国内已比较成熟，利用高精度的视觉对位技术和伺服驱动技术可实现绝大多数器件级封装的工艺需求，但是在高真空环境下，尤其是要保证封装的空间本底真空度在10-5 Pa数量级，这是目前国内设备无法满足的。传统的真空封装技术，是在大气环境或惰性气体环境下完成对位，然后放入真空腔体抽真空，这样虽然环境真空度达到10-5 Pa数量级，管壳空腔内真空度只能达到10-1 Pa数量级。高真空封装设备主要的技术难点体现在:大气环境下常用驱动方式在真空环境下无法使用，许多元器件需要验证真空环境下的适应性。1）真空传输：真空环境下的运动控制是一个技术难题，一方面是真空环境对电机提出的要求，电机必须是无液态油润滑；另一方面则是电机对真空环境的适应性，真空环境会使电机的脂润滑剂析出，长期使用会增大电机磨损，影响寿命及精度。为节约成本提高可靠性，避免真空电机的使用，尽量将伺服电机安装在真空腔体外部，利用磁流体、联轴器将动力传输至腔体内，如工件托盘传输电机、视觉系统Y轴驱动电机。或者利用真空腔内放置隔离腔体的方法，将普通电机装入隔离腔，利用磁流体、航空插头与外界联通。2）相机在真空环境下的环境适应性：相机在真空状态下的使用在国内鲜有案例，笔者团队从环境适应性、相机选型、成像等方面进行了系统的研究，验证了所选相机在高真空环境下长时间使用的可能性，在真空成像方面对可见光和红外光源进行了对比试验，最终选择了红外光源，提高图像质量。3）托盘搬运：通常托盘搬运过程中，利用气动插销作为机械手指，在真空环境下不能使用。4）管壳拾取：一般芯片的拾取利用负压吸盘解决，在真空环境下不能使用。5）散热问题：真空环境下发热器件的散热无法通过传导的方式，因此相机、电机、电磁铁的散热不易解决。6）真空变形：由于内外压差变化，真空腔体及传输存在一定的变形量，该变形量随着真空保持时间的增加也有所变化。7）内部紧凑：受加工和真空限制，底板只能为整体结构，不能拼接，因此空间结构大小受限，内部布局相对紧凑。3 解决方案3.1 托盘转运托盘搬运利用伺服电机（外部驱动，磁流体转入）、机械挂钩相结合的方式实现，挂钩伸缩用于抓取、松开托盘，电机用于传动。转运动作如图3所示，利用往复搬运的方式，解决结构空间受限的问题。杨晓东，等：ME MS 器件级高真空封装技术2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology30图4 对位焊接系统硬件结构图图5 视觉识别过程盖板识别 管壳识别 扣盖后检查大气环境下一般使用气动元件驱动挂钩的伸缩，真空环境中利用电磁插销替代气动插销，但是电磁铁在真空环境下的使用存在限制，尤其是散热问题严重。功率大时出力大，但容易发热，温度升高后输出杆会被热涨的导向卡死；功率太小出力不足，无法正常伸缩。电磁铁的选择通过疲劳试验选取，在软件设计上最大程度减小通电时间。电磁插销在搬运过程中，需要插入托盘的定位孔，通过电机带动托盘移动，由于出力小，当与托盘接触时，摩檫力增大、电磁铁断电后无法脱钩，因此在伸缩时，通过软件确保插销调整到插孔中心位置。3.2 视觉对位3.2.1 硬件组成对位焊接包含视觉对位、盖板拾取放置、电阻封焊（点焊、X方向焊接、Y方向焊接）、托盘搬运等功能。如图4所示，盖板与管壳放置在精加工的工件托盘上，在伺服电机带动下实现X方向运动。视觉相机位于顶部，可实现Y方向运动，根据托盘布局情况计算出目标拍摄物中心坐标，通过调整XY坐标，使相机移动到目标物正上方进行拍照。电磁吸盘位于顶部，利用电磁吸附原理实现可伐盖板的取放，可实现YZR轴3个自由度的运动，其中Y方向与视觉相机共用1套驱动装置，因此拍照与抓取不是同步进行的，而是先后完成的。3.2.2 视觉对位控制流程视觉识别过程如图5所示，具体执行过程为：1）机械手把托盘转运至X焊接工位，并利用底部电磁铁锁定，托盘平台沿X轴方向运动，顶部机械抓手及相机沿Y轴方向运动，先移动相机到可伐盖板上方，对盖板进行拍照识别位置。2）通过盖板轮廓及中心点判断是否到达预定位置，如未到达，根据中心坐标计算偏差量，控制平台X轴运动或者机械手沿Y轴运动。3）视觉软件计算机械手与托盘上盖板的位置偏差量，旋转机械手R轴进行修正；机械手Z轴向下运动，电磁抓手利用嵌入式工装套住盖板；机械手通电，电磁抓手通过磁力吸住盖板后Z轴上升。4）机械手Y轴移动至陶瓷管壳位置，相机对陶瓷管壳拍照。视觉软件计算机械手上吸附的盖板与管壳可伐圈位置偏差量，机械手旋转R轴进行修正。机械手Z轴向下运动，将盖板放到陶瓷管壳可伐圈上。机械手电磁铁断电，托盘上磁铁吸附住盖板，Z轴上升抬起，机械手抓手与盖板脱离。5）相机对放置盖板的管壳进行拍照，检查偏差是否超过阈值，如超过则标记为失败，后续不做焊接。如偏差在允许范围以内时，标记为成功，单个元件视觉对位过程完成。6）单个原件对位完成后，立刻执行点焊固定，X方向平焊封边动作。7）重复16步骤，完成所有工件的视觉对位。上述流程在实际调试过程中出现过两个问题，一是由于电磁插销与托盘定位孔之间存在间隙，托盘X方向定位时运动精度无法保证，这一问题通过在托盘下增加2个抓紧电磁铁解决，把定位精度从2 mm提升至0.1 mm。另一个是视觉系统散热问题，当视觉系统长时间工作时，会因为发热发生故障，解决方法是利用软件最大程度减小光源与相机供电时间。3.2.3 工件坐标处理视觉对位及焊接具备柔性化设置功能，即托盘形状、放置的工件（管壳+盖板）数量可设置，上位软件在视觉定位时根据设置灵活处理事件：托盘上有n个管壳和n个盖板，且排放具有规律性（如4行5列），此时可设置第1对管壳和盖板的坐标，然后按“路径转换”功能设置相对位置（数量和行间距），由软件后台计算出其他管壳和盖板的坐标。3.3 芯片焊接芯片焊接过程分两个步骤完成，先是X方向的点焊与平焊，然后是Y方向的平焊，分别在两个工位完成，每个工位有独立的焊机。X轴点焊、平焊运动包括：1）托盘X轴运动；2）1号焊头Y轴运动，1号焊头Z轴运动。Y轴平焊运动包括：1）托盘X轴运动；2）2号焊头Y轴运动，2号焊头Z轴运动。每个芯片的焊接位置参数以配方的形式进行设置，以工件尺寸24 mm22 mm为例，设置过程如图6所示，设置完成后形成参数（见表1）。第44卷第3期31图6 柔性化焊接参数设置表1 焊接参数设置工步动作边焊接方式开始坐标/mm长度/mm方向等待时间/sxy焊接前焊接后1X点焊2 02 0006 0 02X平焊2 12 01 4右1 2 01 0 03X平焊1 92 01 4左5 01 5 04Y平焊2 02 11 3后01 5 05Y平焊2 01 91 3前59 0 04 结束语全自动真空封装设备可应用于加工智能穿戴、非冷却红外线微传感器阵列、汽车激光雷达、汽车激光投影仪等领域。设备的创新性体现在封装全过程在真空状态下实现，且封装过程中器件真空腔真空度可以达到10-5 Pa，真空运动过程中的机械结构变形控制，真空动密封与精确控制的融合应用技术，真空状态下电磁机械手的应用，目前所述设备在国内未见同类型产品。参考文献1 CHIAO M.MEMS packaging by rapid thermal processingD.Berkely:University of California,2002:2.2甘志银.MEMS器件真空封装的研究D.武汉:华中科技大学博士学位论文,2008(5):19-203武春晖,暴翔,王涛,等.高真空环境下晶圆对准视觉成像及数据传输技术J.电子工艺技术,2022(3):149.（收稿日期：2022-12-07）图1 0 整改前电感点胶示意图图1 1 整改后电感点胶示意图（上接第8 页）经分析排查是由于电感上防止重熔的贴片胶流入电感底部包裹漆包线与焊盘连接根部，在应用环境存在剧烈温度变化的情况下，贴片胶热胀冷缩，应力作用导致拉伸断裂、开路所致，如图10所示。针对贴片胶浸入电感底部的现象，工艺上细化了点胶工序，对点胶位置进行了详细规定。针对绕线电感具有固定绕线方向的特点，新的点胶工艺要求在电感的上下两端远离漆包线端头的一侧点胶，且要求严格控制点胶量，不让贴片胶浸入电感底部漆包线位置，如图11所示。通过试验及应用验证，调整点胶工艺后梳谱SiP质量稳定可靠，目前已广泛应用在机载平台电子干扰分系统综合射频前端中，用量超过1 000只。4 结束语通过对宽带低相噪梳谱SiP的深入研究和问题分析，在理论计算对部分元件取值进行初步确定的基础上，综合运用电路、热、力等多维度物理量的仿真分析及优化，通过试验验证对部分元器件参数的取值进行了改进，最终通过应用发现并及时解决了贴片胶等装配工艺问题，有力解决了宽带低相噪梳谱SiP小型化后引入的诸多限制和挑战，宽带低相噪梳谱SiP的广泛应用对提高小型化的微波组件或者频率源产品的研发效率具有积极重要的意义。参考文献1王燕,苏梦蜀.一种频综SiP的设计开发J.电子工艺技术,2022(5):259.2 聂杨,喻志远.基于阶跃二极管的平面结构梳状谱发生器设计J.电子测量技术,2009(12):7.3智郁雯.宽带低相噪频综SiP的多物理场综合仿真优化技术研究D.中国电子科技集团公司电子科学研究院,2019.4顾茂章,张克潜.微波技术M.北京:清华大学出版社,1989:312.（收稿日期：2023-02-21）杨晓东，等：ME MS 器件级高真空封装技术